摘 要： 介紹了Atmel公司生產(chǎn)的AVR單片機(jī)Atmega32在野外無線自動報(bào)靶系統(tǒng)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)集輕武器射擊訓(xùn)練所需的各種功能于一身，包括精確和非精確報(bào)靶、射擊成績的自動實(shí)時(shí)顯示、統(tǒng)計(jì)和打印，可滿足多種武器和多種射擊模式的訓(xùn)練需求，解決了實(shí)彈射擊的報(bào)靶問題。
關(guān)鍵詞： 傳感器；數(shù)據(jù)采集；控制電路；射擊模式
目前，在野外射擊訓(xùn)練考核中，大部分還是通過人工報(bào)靶的方法，帶有很多人為因素(如報(bào)靶人員的主觀性、情緒等)，影響報(bào)靶的結(jié)果，使得射手不能正確了解自己的成績，不利于打靶水平的提高。雖然現(xiàn)在市面上出現(xiàn)了一些自動報(bào)靶產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品的成本高、系統(tǒng)比較復(fù)雜，并且占用場地。因此，本文根據(jù)實(shí)際訓(xùn)練需要，研制出了集輕武器射擊訓(xùn)練所需的所有功能于一體的、基于AVR單片機(jī)的一種無線自動報(bào)靶系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括精確和非精確報(bào)靶，射擊成績的自動實(shí)時(shí)顯示、統(tǒng)計(jì)和打印，可以滿足多種武器和多種射擊模式的訓(xùn)練需求，對目標(biāo)的隱顯時(shí)機(jī)、次數(shù)、間隔等均按訓(xùn)練大綱要求由電腦自動控制，既可同時(shí)監(jiān)控多個(gè)(25個(gè))靶位的射擊情況，也可單獨(dú)監(jiān)控一個(gè)靶位的射擊情況。
1 系統(tǒng)組成
無線自動報(bào)靶系統(tǒng)由傳感器(特制頭靶、胸靶、身靶等)、數(shù)據(jù)采集、無線傳輸、數(shù)據(jù)處理、顯示和打印機(jī)等構(gòu)成。報(bào)靶傳感器為特制的靶子，其兩面各有一層導(dǎo)電橡膠(或其他導(dǎo)電軟材料)，反面導(dǎo)電橡膠接地線，正面按胸環(huán)靶樣式用絕緣材料分隔成不同環(huán)位和方位區(qū)域，不同區(qū)域分別引出信號線。當(dāng)子彈穿越靶子，射擊目標(biāo)的報(bào)靶可以精確到5~10環(huán)(以胸環(huán)靶為例)，彈著點(diǎn)的顯示可以精確到圓周的1/8，即將每一環(huán)分為8個(gè)區(qū)域，報(bào)靶信息即為射擊的環(huán)數(shù)和所處的區(qū)域。圖1為紙上對環(huán)和區(qū)域的劃分情況。
當(dāng)子彈穿過目標(biāo)時(shí)，在瞬間會連通其中的一個(gè)環(huán)和一個(gè)區(qū)域，完成數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)由此確定報(bào)靶信息，編碼后由收發(fā)模塊調(diào)制發(fā)出，完成射擊成績的報(bào)靶。子彈擊中目標(biāo)的情況如圖2所示。
2 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中，單片機(jī)采用Atmel公司的AVR單片機(jī)Atmega32。在如圖3所示的單片機(jī)控制電路圖中，PB端口和PC端口用于檢測靶的環(huán)和區(qū)的信號，當(dāng)有子彈穿過靶時(shí)，會將連接在PB和PC端口對應(yīng)的環(huán)和區(qū)引腳導(dǎo)通，通過讀取PB和PC端口的引腳電平狀態(tài)，即可分析出子彈擊中了靶中哪個(gè)環(huán)和區(qū)。
圖3中，PA0引腳的ADC用于將采樣電機(jī)過載電流信號傳送給MCU，PD4~PD7用于驅(qū)動全橋電路的4個(gè)臂端，以保證電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。K1、K2按鍵的功能是手動啟動電機(jī)將靶拉起或放倒。PD0、PD1引腳是串行通信接口的RXD和TXD，這兩個(gè)引腳與無線發(fā)射/接收模塊的TXD和RXD相連接，當(dāng)ATmega32單片機(jī)檢測到子彈擊中靶子時(shí)，將計(jì)算出來的環(huán)和區(qū)的信號通過RXD和TXD引腳發(fā)射出去，傳送到計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。
由于子彈的速度很快(達(dá)到1 000 m/s)，靶的內(nèi)部鋁層厚度為5 mm，使穿透鋁層最小時(shí)間只需5 μs。而在這5 μs時(shí)間之內(nèi)，Atmega32單片機(jī)必須通過PB和PC端口完成實(shí)時(shí)的采樣，并同時(shí)計(jì)算出子彈是穿透哪個(gè)環(huán)和區(qū)。因此，必須為Atmega32配置高速的時(shí)鐘源。由于Atmega32單片機(jī)頻率最高可以達(dá)到25 MHz，但同時(shí)還要滿足串行通信的波特率要求，因此，Atmega32采用18.432 MHz的時(shí)鐘源，為整個(gè)系統(tǒng)高速運(yùn)算提供保證。
在實(shí)際測試中，Atmega32單片機(jī)從檢測到子彈開始發(fā)射到子彈穿透鋁層，并確定子彈穿透的是哪個(gè)環(huán)和區(qū)，不到2 μs就可以完成采樣。
3 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)軟件主要功能：(1)實(shí)時(shí)檢測是否有子彈穿透訓(xùn)練靶，若檢測到有子彈穿過，程序獲取靶被擊中的環(huán)和區(qū)，并將該靶的環(huán)和區(qū)信息通過串口發(fā)送出去。由于這部分程序?qū)r(shí)間要求極為苛刻，因此將這部分內(nèi)容由INT0外部中斷服務(wù)程序來完成。(2)單片機(jī)串口實(shí)時(shí)監(jiān)測是否有控制中心發(fā)來的數(shù)據(jù)幀，若有，則讀取數(shù)據(jù)幀內(nèi)容，并分析是否為合法數(shù)據(jù)幀，若是非法幀，則丟棄該幀；若是合法數(shù)據(jù)幀，則分析該幀的內(nèi)容，并置接收幀成功標(biāo)志。由于控制中心可能隨時(shí)會發(fā)送數(shù)據(jù)幀過來，這部分內(nèi)容交給串口的中斷服務(wù)程序來完成。(3)主程序中，除了完成相關(guān)初始化內(nèi)容之外，主要判斷按鍵K1和K2是否按下，若有則執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動的拉起和放倒動作；同時(shí)，還檢測接收到的數(shù)據(jù)幀標(biāo)志是否成功，若成功，則根據(jù)數(shù)據(jù)幀的命令字來分析夜間指示燈的開或關(guān)閉、啟動電機(jī)作拉起或放倒動作等。
主程序流程圖如圖4所示。
信號采集檢測直接利用AVR單片機(jī)芯片內(nèi)置的10 bitA/D轉(zhuǎn)換器，采樣PA0端口的輸入模擬電壓。將該模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓，首先要對A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化，具體程序如下：
void AVR_ADC_Init(void)
{
ADMUX = 0x00； //選擇參考電壓源為+5 V，
//左對齊方式，并選擇模擬通道ADC0
ADCSRA = 0xCF；//使能ADC模塊，
//并啟動ADC轉(zhuǎn)換開始，配置預(yù)分頻比1：128
}
為了提高實(shí)時(shí)采樣保護(hù)電機(jī)，過流檢測分析程序段放在A/D轉(zhuǎn)換的中斷服務(wù)程序中完成。A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序如下：
#pragma vector=ADC_INT
__interrupt void ADC_vect_isr(void)
{
if(ADCH>200)MotorBreak()； //若檢測到電流
//超過20 A，則讓電機(jī)停止
}
在進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動程序設(shè)計(jì)時(shí)，利用AVR單片機(jī)內(nèi)置的PWM模塊來實(shí)現(xiàn)。該模塊具有如下特征：(1)支持快速PWM產(chǎn)生模式；(2)支持相位修正的PWM產(chǎn)生模式；(3)支持相位與頻率修正的PWM產(chǎn)生模式。這些模式都能夠很好地產(chǎn)生所需的PWM信號，利用PWM信號可很容易實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。利用PWM模塊的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動函數(shù)為MotorStartRun(unsigned char direction，unsigned int speed)。在該函數(shù)中，參數(shù)direction用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)換方向，參數(shù)speed用于調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行速度。電機(jī)驅(qū)動程序流程圖如圖5所示。
該報(bào)靶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了射擊環(huán)數(shù)和方位在靶區(qū)域的實(shí)時(shí)顯示以及PC機(jī)監(jiān)控終端的實(shí)時(shí)監(jiān)控，射擊中可統(tǒng)計(jì)個(gè)人及單位的單發(fā)成績和總體成績。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)證明，其分析原理正確、設(shè)計(jì)指標(biāo)先進(jìn)、攜帶方便、報(bào)靶準(zhǔn)確，適用于各式槍械的報(bào)靶；抗干擾強(qiáng)，適合野外使用?，F(xiàn)已在現(xiàn)場使用，并取得了良好的效益。
參考文獻(xiàn)
[1] 黃勝.自動報(bào)靶機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].毅據(jù)采集與處理，1997，12(2)：155-156.
[2] Atmel Corporation. ATmega32(L)datasheet. 200l.